專利名稱：一種降低Ⅲ族氮化物發(fā)光二極管光衰的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種降低III族氮化物發(fā)光二極管光衰的方法，屬于半導體光電器件
領域。
背景技術：
最近幾年高速發(fā)展的固態(tài)照明技術，被稱為21世紀最有價值的半導體"綠色照 明"技術，它是以氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶III族氮化物半導體材料及LED器件技術為 基礎，是繼半導體集成電路技術之后又一項具有革命意義的技術革新。半導體LED技術早 在上世紀六、七十年代就已經有產品應用，主要為局限于紅、黃光的GaAs、 GaP基LED,亮度 及應用都非常有限。隨著GaN基高亮度藍、綠光LED技術的突破,高亮度LED芯片在手機背 光源、在戶/內外全彩顯示屏、LCD背光源、路燈照片、甚是通用照明等高端應用領域迅速擴 展。LED光源以其節(jié)能、環(huán)保、光色飽滿、無限混色、迅速切換、耐震、耐潮、冷溫、少維修等優(yōu) 勢，已成為全球最熱門、最矚目的新型光源。 目前國內外商用LED發(fā)光芯片的光效都已經發(fā)展到比較高的水平，大都達到了 1001m/W以上。這種發(fā)光效率已足以使LED芯片的應用切入到筆記本液晶背光源、液晶電 視背光源、路燈照明、甚至通用照明等高端、高利潤應用領域，但目前困擾LED產業(yè)發(fā)展的 就是LEI)器件的光衰問題,尤其是白光產品。較大的光衰將降低LED器件的使用壽命，降低 LED器件的性價比，影響LED產業(yè)的發(fā)展。 LED器件光衰產生的主要原因有以下幾個第一，LED器件的熱阻都比較高，使得 LED芯片工作時溫度較高,量子阱中缺陷增多，導致LED芯片發(fā)光效率下降；第二， LED芯片 外延結構中，未在量子阱中復合的電子,在電場作用下最后會運動倒P區(qū)同空穴復合發(fā)出
紫外光，而紫外光的輻射對處于較高溫度的封裝環(huán)氧樹脂材料有強烈的分解老化作用，長 時間的紫外光輻射使封裝環(huán)氧黃化，甚至發(fā)黑，影響LED器件光線的輸出，產生光衰；第三、 對于使用了熒光粉的LED產品，熒光粉轉換效率隨時間的降低也將產生光衰。
為解決LED器件中的光衰問題，業(yè)界提出了不少改進方法。中國發(fā)明專利 CN200810120217. 0公開了 一種低光衰白發(fā)光二極管的方法，該發(fā)明的特征在于在LED芯 片的封裝過程中，通過透光片和隔熱透光層將LED芯片同熒光封裝體分隔開來，這一設置 可以減少LED芯片工作時散發(fā)的熱量對熒光封裝體性能的劣化，從而達到延長LED使用壽 命的目的。但該設置不能減少LED芯片中發(fā)出的近紫外、及紫光對熒光封裝體的劣化影響。 中國發(fā)明專利CN200710172631. 1則提出了一種通過改進封裝用環(huán)氧樹脂的成份的方法來 改進LED封裝產生的光衰，該方法雖然一定程度上能減小LED器件的光衰，但不能從根本上 解決光衰問題。 為從根本上解決LED芯片中紫外、及紫光對環(huán)氧封裝體的黃化、老化影響，就需要 從LED芯片著手，減少甚至避免LED芯片中紫外、及紫光的產生。本發(fā)明提出了--種III族 氮化物發(fā)光二極管外延材料的結構及其生長方法，采用該結構及其方法生長的外延材料， 制備的發(fā)光二極管芯片能從根本上減少、甚至避免紫光對環(huán)氧封裝體的影響，在現(xiàn)行封裝工藝條件下，獲得低光衰的發(fā)光二極管,有效延長發(fā)光二極管的使用壽命。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于降低LE:[)器件的光衰，提出一種降低i:[i族氮化物發(fā)光二極管 光衰的方法，能降低氮化鎵基發(fā)光二極管器件的光衰。 如

圖1所示，為公知的LED外延及芯片的結構，包括在襯底(substrate) 10 ....匕生 長一層低溫緩沖層(low temperature buffer) 11，再在低溫緩沖層11上生長本征氮化鎵 層(undoped-GaN,即u-GaN)〗.2禾B N型氮化鎵層(n type-GaN，即n-GaN) 13，接下來再分別外 延生長多量子阱層(Multi-Quantum Wells，即MQWs) 14、電子阻擋層(electron blocking layer) 15、 P型氮化鎵層(p-GaN) 16、及P型接觸層(p-contact layer) 17。 18層為透明導 電層，lll層和112層分別為芯片的P型電極和N型電極。其中電子阻擋層15,P型氮化鎵 層16，和P型接觸層17 —般統(tǒng)稱為:P型層。 透明導電層18 :透明導電層18可以由 -層或多層金屬薄膜、氧化物薄膜構成，它 們可以是Ni/Au， Ni/Pt， Ni/Pd， Ni/Co， Pd/Au， Pt/Au， Ti/Au， Cr/Au，或者IT0、 Zn0:Al、 ZnGa204、 Sn02: Sb、 Ga203: Sn、 Agln02: Sn、 In203: Zn、 LaCuOS、 NiO、 CuCa02、 SrCu202。
P、 N電極焊點層111禾P 112分別為，可以是Ni/Au、 Pt/Au、 Ti/Au、 Cr/Ni/Au、 Cr/ Au、Ti/Al、Cr/NiZAl。 由于LED芯片中電子在多量子阱層中的復合效率有限，一部分未復合的電子會越 過電子阻擋層15到達由P型氮化鎵層16和P型接觸層17構成的P區(qū)，同P區(qū)中的空穴復 合，由于氮化鎵材料的禁帶寬度為3. 4eV，再考慮到P型層中存在的很多受主能級，這種復 合將發(fā)出波長在365 400nm附近的紫外光輻射。LED器件工作時，這些紫外光將加速LED 器件的封裝環(huán)氧的老化黃化，增大LED器件的光衰，降低LED器件的使用壽命。
為減少甚至消除從LED芯片中發(fā)出的紫外光,本發(fā)明提出一種LED外延結構的生 長方法。其特點在于，在LED外延片的P型層中插入包含有P型銦鎵氮(InGaN)外延層的 結構。 本發(fā)明技術方案為一種降低III族氮化物發(fā)光二極管光衰的方法，該III族氮化 物發(fā)光二極管外延結構從下向上的順序依次為襯底、低溫緩沖層、本征氮化鎵層、N型氮化 鎵層、多量子阱層、電子阻擋層、P型氮化鎵層、P型接觸層，其特征在于在11:1族氮化物發(fā) 光二極管外延結構中增加一層P型氮化銦鎵層。 P型氮化銦鎵層增加在P型氮化鎵層中，從下向上的順序依次為襯底、低溫緩沖 層、本征氮化鎵層、N型氮化鎵層、多量子阱層、電子阻擋層、P型氮化鎵層、P型氮化銦鎵層、 P型氮化鎵層、P型接觸層。 P型氮化銦鎵層增加在P型氮化鎵層與P型接觸層之間，從下向上的順序依次為 襯底、低溫緩沖層、本征氮化鎵層、N型氮化鎵層、多量子阱層、電子阻擋層、P型氮化鎵層、P 型氮化銦鎵層、P型接觸層。 P型氮化銦鎵層增加在電子阻擋層與P型氮化鎵層之間，從下向上的順序依次為 襯底、低溫緩沖層、本征氮化鎵層、N型氮化鎵層、多量子阱層、電子阻擋層、P型氮化銦鎵 層、P型氮化鎵層、P型接觸層。 該發(fā)光二極管外延層中的P型氮化銦鎵層為P型InyGai—yN外延層，該P型InyGai—yN
4外延層中In組份含量低于多量子阱層中的In組份含量。 該發(fā)光二極管外延層中的P型氮化銦鎵層為P型InyGai—yN/GaN周期排布的超晶 格，InyGai—yN層中的In組份含量低于多量子阱層中的In組份含量。圖
圖；圖
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一種降低氮化鎵基發(fā)光二極管光衰的外延結構示意圖； l一種降低氮化鎵基發(fā)光二極管光衰的另一種外延結構示意
l一種降低氮化鎵基發(fā)光二極管光衰的再一種外延結構示意
l一種降低氮化鎵基發(fā)光二極管光衰的又一種外延結構示意
l一種降低氮化鎵基發(fā)光二極管光衰的還一種外延結構示意
l一種降低氮化鎵基發(fā)光二極管光衰的又一種外延結構示意
具體實施例方式
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明一種降低氮化鎵基發(fā)光二極管光衰的外延結構 及其制作方法做進--步的說明。 以上所使用附圖為示意圖，不是按照正常比例繪制，但不會影響本技術領域人員 理解本發(fā)明的特征及有益效果。 實施例l,如圖2所示給出了本發(fā)明的一種實施例。 (1)襯底10 :首先將藍寶石襯底升溫，在純氫氣氣氛里進行退火,然后進行氮化處 理。比較好的是，退火溫度為1050 IIO(TC ; (2)低溫緩沖層11 :在低溫下生長的一層GaN緩沖層。生長溫度在500 600°C ， 生長壓力在100 5()()Torr，厚度在10 5()nni ; (3)本征氮化鎵層12 :低溫緩沖層11生長結束后，停止通入TMGa源，將襯底溫度 升高，對低溫緩沖層11進行原位退火處理；退火之后，在所述退火溫度生長本征氮化鎵層 12。比較好的是，緩沖層退火及氮化鎵生長溫度在1050 IIO(TC之間，生長壓力在100 500Torr，本征氮化鎵厚度在500 5000nm ; (4) N型氮化鎵層13 :在本征氮化鎵層12上生長N型氮化鎵層，N型摻雜劑為SiH4， 摻雜濃度為5 X 1017cm 3 5 X 1019cm 3,比較好的是在3 X 1018cm 3 7 X 1018cm 3。比較好的 是，N型氮化鎵層生長溫度在1050 1 l()(rC之間，生長壓力在100 5()()Torr，厚度在500 5000nm : (5)多量子阱層14 :多量子阱層為單周期或多周期的InxGa:l—xN/GaN結構，周期數(shù) 在1 25個之間，比較好的是在5 10個周期之間，x在0. 15 0. 3之間。其中比較好 的是，阱層銦鎵氮生長溫度在7()() S()(rC ，生長壓力在100 50()Torr，阱層厚度在0. 5 5nm ;其中比較好的是，壘層氮化鎵生長溫度在800 900°C ，生長壓力在100 500Torr，厚 度在5 50nm ; (6)電子阻擋層15 :電子阻擋層15為一 P型摻雜AlxGai—XN外延層，比較好的是x 在0. 1 0. 5之間，尤其好的是x在0. 2 0. 3之間。其中P型摻雜劑為cp2Mg(即二茂 鎂)，摻雜后的P型載流子濃度在1 X 1017cm—3 1 X 1019cm—3。比較好的是，該層生長溫度在 900 IOO(TC，生長壓力在100 500Torr，厚度在10 100nm ; (7)在電子阻擋層15后生長一層P型InyGai—yN層19，其特征在于該InyGai—yN層 19中In組份含量要小于多量子阱層14中阱層的In組份含量，即0 < y < x,比較好的是 y在0 0. 25之間，生長溫度在750 85(TC，生長壓力在100 500Torr，厚度在10 300nm ;其中P型摻雜劑為cp2Mg(即二茂鎂)，摻雜后的P型載流子濃度在1 X 1017cm-3 lX1019cm3。 (8):P型氮化鎵層16 :P型氮化鎵層16為cp2Mg摻雜的氮化鎵外延層，其中比較好 的是，摻雜后P型載流子濃度在1 X 10l7cm—3 1 X 1019cm—3，生長溫度在800 IOO(TC ，生長 壓力在100 500Torr，厚度在100 500nm。 (9)P型接觸層17 :P型接觸層17為cp2Mg摻雜的氮化鎵外延層，比較好的是，摻 雜后P型載流子濃度在5X l()17Cra 3 1 X 1019cm-3,生長溫度在900 1()()0°C ，生長壓力在 200 500Torr，厚度在5 50nm。 實施例2，如圖3所示給出了本發(fā)明的另一種實施例。
(1)襯底10 :首先將藍寶石襯底升溫，在純氫氣氣氛里進行退火,然后進行氮化處
理。比較好的是，退火溫度為i()5o ii()(rc ; (2)低溫緩沖層11 :在低溫下生長的--層GaN緩沖層。生長溫度在500 600°C， 生長壓力在100 500Torr，厚度在10 50nm ; (3)本征氮化鎵層12 :低溫緩沖層11生長結束后，停止通入TMGa源，將襯底溫度 升高，對低溫緩沖層11進行原位退火處理；退火之后，在所述退火溫度生長本征氮化鎵層 12。比較好的是，緩沖層退火及氮化鎵生長溫度在1050 IIO(TC之間，生長壓力在100 500Torr，本征氮化鎵厚度在500 5000nm ; (4) N型氮化鎵層13 :在本征氮化鎵層12上生長N型氮化鎵層，N型摻雜劑為SiH4， 摻雜濃度為5 X 1017cnf3 5 X 1019cnf3,比較好的是在3 X 1018cm 3 7 X l()18cm—3。比較好的 是，N型氮化鎵層生長溫度在1050 IIO(TC之間，生長壓力在100 500Torr，厚度在500 5000nm ; (5)多量子阱層14 :多量子阱層為單周期或多周期的InxGai—xN/GaN結構，周期數(shù)在1 25個之間，比較好的是在5 10個周期之間，x在0. 15 0. 3之間。其中比較好 的是，阱層銦鎵氮生長溫度在700 80(TC ，生長壓力在100 500Torr，阱層厚度在0. 5 5nm ;其中比較好的是，壘層氮化鎵生長溫度在800 900°C ,生長壓力在100 500Torr，厚 度在5 5()ran ;(6)電子阻擋層15 :電子阻擋層15為一 P型摻雜AlxGai—XN外延層，比較好的是x 在0. 1 0. 5之間，尤其好的是x在0. 2 0. 3之間。其中P型摻雜劑為cp2Mg(即二茂 鎂)，摻雜后的P型載流子濃度在1 X 1017cm 3 1 X 1019cm 3。比較好的是，該層生長溫度在 900 l()()(rC，生長壓力在100 50()Torr，厚度在10 l()()nni ; (7)在電子阻擋層15后生長--層P型氮化鎵層161 :P型氮化鎵層16為cp2Mg摻 雜的氮化鎵外延層，其中比較好的是，摻雜后P型載流子濃度在lX1017cm—3 lX1019cm—3， 生長溫度在800 1000。C，生長壓力在100 500Torr,厚度在100 300nm。
(8) :P型氮化鎵層161后生長一層P型I:nyGai...yN層19，其特征在于該層 19中In組份含量要小于多量子阱層14中阱層的In組份含量，即0 < y < x,比較好的是 y在0 0. 25之間，生長溫度在750 850°C，生長壓力在100 500Torr，厚度在10 300醒;其中P型摻雜劑為cp2Mg(即二茂鎂)，摻雜后的P型載流子濃度在1 X 1017cm 3 lXl()19cra—3。 (9)P型InyG^—yN層19后，再按P型氮化鎵層161相同的條件生長-一層P型氮化 鎵層162，厚度在100 300nm。 (10)最后生長P型接觸層17 :P型接觸層17為cp2Mg摻雜的氮化鎵外延層，比較 好的是，摻雜后P型載流子濃度在5X 1017cnf3 1 X 1019cm—3，生長溫度在900 1()()()°C，生 長壓力在200 500Torr，厚度在5 50nm。 實施例3，如圖4所示給出了本發(fā)明的又一種實施例。按照該實施例制備的發(fā)光二 極管外延結構包括襯底10、低溫緩沖層11、本征氮化鎵層12、 N型氮化鎵層13、多量子阱 層14、電子阻擋層15、P型氮化鎵層16、P型InyGa卜yN層19、P型接觸層17。本實施例中各 層的生長條件與圖2代表的實施例1相同。與實施例1中P型IiiyGa卜yN層19生長在電子 阻擋層15之后所不同的是，實施例3中，P型1 Ga卜yN層19生長在P型氮化鎵層16之后。
實施例4，圖5所示給出了本發(fā)明的再一種實施例。按照該實施例制備的發(fā)光二極 管外延結構包括襯底1()、低溫緩沖層11、本征氮化鎵層12、 N型氮化鎵層13、多量子阱層 14、電子阻擋層15、由P型IiiyGa卜yN層191ZP型GaN層192交替生長形成的超晶格層、P型 氮化鎵層16、P型接觸層17。除P型InyGa:l—yN層191/P型GaN層192交替生長形成的超晶 格層外，本實施例中其他各層的生長條件與圖2代表的實施例1相同。
P型InyGai..yN層191/P型GaN層192交替生長形成的超晶格層，其周期數(shù)在2 10 個之間。其中，P型IiiyGa卜yN層191中In組份含量要小于多量子阱層14中阱層的In組份 含量，即0 < y < x，比較好的是y在0 0. 25之間，生長溫度在750 850°C ，生長壓力在 100 500Torr,厚度在2 20nm ;其中P型摻雜劑為cp2Mg (即二茂鎂)，摻雜后的P型載流 子濃度在1 X l()17cra—3 1 X 1019cnf3。 P型GaN層192生長溫度在850 1(K)()。C ，生長壓力在 100 500Torr，厚度在2 20nm ;摻雜后的P型載流子濃度在1 X 1017cm—3 1 X 1019cm—3。
實施例5，圖6所示給出了本發(fā)明的還一種實施例。該實施例制備的發(fā)光二極管外 延結構依次包括襯底10、低溫緩沖層11、本征氮化鎵層12、 N型氮化鎵層13、多量子阱層
714、電子阻擋層15、 P型氮化鎵層161、由P型InyGai—yN層191/P型GaN層192交替生長形 成的超晶格層、P型氮化鎵層162、 P型接觸層17。除P型InyGai—yN層191/P型GaN層192 交替生長形成的超晶格層外，本實施例中其他各層的生長條件與圖3代表的實施例2相同。
P型:l:nyGa卜yN層191/:P型GaN層192交替生長形成的超晶格層，其周期數(shù)在2 10 個之間。其中，P型InyGai—yN層191中In組份含量要小于多量子阱層14中阱層的In組份 含量，即0 < y < x，比較好的是y在0 0. 25之間，生長溫度在750 85(TC ，生長壓力在 100 500Torr，厚度在2 20nm ;其中P型摻雜劑為cp2Mg (即二茂鎂)，摻雜后的P型載流 子濃度在1 X 1017cnf3 1 X l()19cra—3。 P型GaN層192生長溫度在850 1()0()°C ，生長壓力在 100 500Torr，厚度在2 20nm ;摻雜后的P型載流子濃度在1 X 10l7cm—3 1 X 1019cm—3。
實施例6，如圖7所示給出了本發(fā)明的又一種實施例。按照該實施例制備的發(fā)光 二極管外延結構包括襯底10、低溫緩沖層11、本征氮化鎵層12、 N型氮化鎵層13、多量子 阱層14、電子阻擋層15、 P型氮化鎵層16、由:P型:l:nyGai...yN層191/P型GaN層192交替生 長形成的超晶格層、P型接觸層17。本實施例中各層的生長條件與圖5代表的實施例4相 同。與實施例4中所不同的是，實施例6中，P型InyGai—yN層191/P型GaN層192交替生長 形成的超晶格層生長在P型氮化鎵層16之后，而不是如實施例4中所述的生長在電子阻擋 層15之后。
權利要求
一種降低III族氮化物發(fā)光二極管光衰的方法，該III族氮化物發(fā)光二極管外延結構從下向上的順序依次為襯底、低溫緩沖層、本征氮化鎵層、N型氮化鎵層、多量子阱層、電子阻擋層、P型氮化鎵層、P型接觸層，其特征在于在III族氮化物發(fā)光二極管外延結構中增加一層P型氮化銦鎵層。
2. 根據權利要求i所述一種降低in族氮化物發(fā)光二極管光衰的方法，其特征在于P型氮化銦鎵層增加在p型氮化鎵層中，從下向上的順序依次為襯底、低溫緩沖層、本征氮化鎵層、n型氮化鎵層、多量子阱層、電子阻擋層、p型氮化鎵層、p型氮化銦鎵層、p型氮化鎵層、p型接觸層。
3. 根據權利要求1所述一種降低III族氮化物發(fā)光二極管光衰的方法，其特征在于P型氮化銦鎵層增加在p型氮化鎵層與p型接觸層之間，從下向上的順序依次為襯底、低溫緩沖層、本征氮化鎵層、N型氮化鎵層、多量子阱層、電子阻擋層、P型氮化鎵層、P型氮化銦鎵層、p型接觸層。
4. 根據權利要求1所述一種降低族氮化物發(fā)光二極管光衰的方法其特征在于P型氮化銦鎵層增加在電子阻擋層與P型氮化鎵層之間，從下向上的順序依次為襯底、低溫緩沖層、本征氮化鎵層、N型氮化鎵層、多量子阱層、電子阻擋層、P型氮化銦鎵層、P型氮化鎵層、P型接觸層。
5. 如權利要求1、2、3或4所述的低光衰III:族氮化物發(fā)光二極管，其特征在于該發(fā)光二極管外延層中的P型氮化銦鎵層為P型InyGai—yn外延層，該P型IiiyGa卜yn外延層中In組份含量低于多量子阱層中的In組份含量。
6. 如權利要求1、2、3或4所述的低光衰III族氮化物發(fā)光二極管，其特征在于該發(fā)光二極管外延層中的P型氮化銦鎵層為P型]:nyGai...yN/GaN周期排布的超晶格，I:nyGa卜yN層中的In組份含量低于多量子阱層中的In組份含量。
全文摘要
本發(fā)明公開一種降低III族氮化物發(fā)光二極管光衰的方法，該III族氮化物發(fā)光二極管外延結構從下向上的順序依次為襯底、低溫緩沖層、本征氮化鎵層、N型氮化鎵層、多量子阱層、電子阻擋層、P型氮化鎵層、P型接觸層，在III族氮化物發(fā)光二極管外延結構中增加一層P型氮化銦鎵層。P型氮化鎵層后的含有銦鎵氮外延層的結構中銦組份含量比多量子阱層中的銦組份要低，這樣，這層含有銦鎵氮外延層的結構不會吸收多量子阱層中發(fā)出的光。而另一方面，在多量子阱中未復合的電子越過電子阻擋層后將在其后的銦鎵氮層中復合掉，由于銦鎵氮材料的禁帶寬度比氮化鎵要低，在銦鎵氮層中復合將發(fā)出波長較長的可見光，從而減小甚至消除了LED芯片中紫外光輻射的產生。
文檔編號H01L33/00GK101740693SQ200910273378
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月25日 優(yōu)先權日2009年12月25日
發(fā)明者劉榕, 董彬忠, 魏世禎 申請人:武漢華燦光電有限公司